数字图像处理实验指导书

2万 · 2011-11-11 14:44

第一部分  实验环境的建立
一硬件连接
参照下页连线图进行连接：
1.  打开实验箱，注意相关连接线和摄像头均在实验箱左方的暗箱中。
2.  将仿真器接到 SEED—VPM642 板卡上，一般已经连接好，就不需再进行连接了。
3.  将实验箱的右下角的 5V直流电源接线头连接到板卡的电源端口（在以太网卡的右方）。
4.  将 BNC 转接头装到 Vout端口上。
5.  将液晶显示器支起，并将其电源接头连接到一个 12V直流电源端口；将黄色视频输入头
连接到 Vout上的 BNC 转接头上。
6.  取出摄像头并用三角架支好。
7.  用一个电源连接线，将实验箱上的另一个 12V直流电源连接到摄像头的电源端口上。
8.  用 BNC 连接线连接摄像头的 VIDEO OUT 和实验箱上的Ｖin１。
9.  用电源连线连接实验箱外部的电源端口（在实验箱的后方）。
10. 开启电源，如连接正确，则电源端口右方的指示灯为亮，仿真器上指示灯也为亮。
11. 如果液晶显示屏不亮，请按其上的 POWER 键。

只看该作者 · 2011-11-12 16:08

这是个啥试验箱了

2万 · 2011-11-14 10:07

实验 1 PAL 格式图像实时采集并显示
（一) 实验目的
1．掌握Code Composer Studio2.2 的安装和配置。
2．了解DSP 开发系统和计算机与目标系统的连接方法。
3．了解CCS集成开发环境的操作环境和基本功能。
4. 了解视频编码的相关基本知识。
5．熟悉视频显示程序的运行过程、控制过程，搞清数据处理、传输途径。
（二）实验原理
视频编码：
1. 数字图像：经过数字化转换并可以用数字表示、处理的图像。由象素点组成，其中
横向的点数称为水平分辨率，纵向的为垂直分辨率，一幅完整的图分为若干行，称为一帧图
像。每个象素根据量化精度不同其取值也不同，例如取三个色彩分量均为8 位二进制数的
RGB 表示方法，用连续的三个8 位二进制数表示一个彩色点，(200,100,64)描述的点的红色
分量为200，绿色分量100，蓝色分量64，其中每个分量的取值均为0—255 表示从最暗到
最亮256 个等级。许多静态的图像可以经连续播放产生动态效果，25 帧/秒或30 帧/秒的帧
速可产生较平滑的动态显示效果。
2. 色彩空间
RGB 色彩空间：图像采集和显示设备采用，例如CCD、CMOS 摄像头，CRT 监视器
等。因其色彩分量之间有较大的相关性，不适于做图像处理。
YCbCr 色彩空间：Y 表示亮度，Cb 和Cr 表示色差。各色彩分量之间相关性小，适于
进行处理操作。色差信号常做2:1 抽样处理以节省带宽。
3. 视频图像
视频简单地说就是活动图像。电影也是活动图像，电影把大量静止图像记录在胶片上，
一张一张地连续显示出来，就成了我们看到的电影。对于电视视频，每秒钟包含几十帧静止
图像，每一帧静止图像由几百个行组成，每一行又由几百个像素点组成。1 秒钟包含的图像
帧数为帧频，1 秒钟包含的总行数为行频，1 秒钟包含的总像素数实际上就是相当于视频带
宽。
模拟视频：遥想起来，在当年有限的条件下，用电子管做出电视机的前辈们实在是令人
佩服的，但是，用现在的眼光来看，当年的电视技术又实在是很简陋的。我国的黑白视频信
号帧频为25 Hz，就是说每秒显示25 幅图像，之所以规定为25 Hz，而不是其它的某个值，
主要是因为两个原因。一个与人的视觉生理特点有关，当图像的刷新速度达到5 帧/秒的时
候，人开始感觉图像是活动的，而达到24 帧/秒的时候，人感觉图像是完全连续和流畅的（电
影所使用的帧频就是24 Hz），所以视频信号帧频应大于等于24 Hz。理论上来说帧频越高越
好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，成本也越高（现在有的电脑彩显帧
频已达到200Hz），在当时的条件下，只能选择一个大于24 的尽量小的值。另一个原因是
因为我国的电网频率是50Hz，当采用25 Hz 帧频时，隔行扫描时的场频为50Hz，正好与电
网同频，这样，电源对图像的干扰是固定的，人眼不容易感觉出来，或者换个角度说：电源
就可以不必做得那么精密（那个时候开关电源还很少使用，整流电源缺乏稳压措施，纹波很
大）。所以选择了25 Hz 帧频。说到这里，又要说说“场频”。电视在显示图像的时候，把
一帧分成了两场来显示，一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场，另一个场由帧中的偶数行
组成，叫做偶场。之所以要这样做，主要是因为在CRT 显象管上一秒钟显示25 帧图像时，
人眼感觉到连续性还是不太好，而且还有明显的闪烁，一帧分成两场后，场频为50 Hz，图
像更加连续一些。当然还有一些别的原因，与电路设计方面有关。
我国的黑白视频信号规定每帧图像共 625 行，每场为312.5 行，行频15625 Hz，视频
带宽6MHz。在每场的312.5 行中，有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的，按照
CCIR656 标准规定的行编号方法，奇场的行号为第1 至312.5 行，偶场的行号为第312.5 至
625 行，其中，奇场的第23.5 至310 行包含有效的视频信号，共287.5 行，偶场的第336 至
622.5 行包含有效的视频信号，共287.5 行。所以一帧中有效的总行数为576 行，由最上面
的半行加上中间的574 行加上最下面的半行组成。
彩色视频信号：当科学家们开始研究彩色电视的时候，黑白电视已经大量使用了，所以
最好彩色电视信号能够与黑白电视信号保持兼容，以便彩色电视信号在黑白电视机上能播放
出黑白的图像。这个问题是很困难的，因为色度信号也要占用较大的带宽，而在电视射频频
带上，一个频道挨着一个频道，亮度信号（实际上还有调频的伴音信号）已经把频带给塞满
了，幸运的是，后来终于运用压缩亮度信号带宽、大面积着色等技术解决了这个问题。从频
域的角度来看，色度信号（UV 色差信号）是插在亮度信号的频谱的间隙之中的，具体的位
置是插在4.43MHz 的地方，带宽1.3MHz。在接收机中，简单地说，把收到的信号中的
4.43MHz 处的带宽1.3MHz 的信号取出来就成了色度信号，而把收到的信号中的4.43MHz
处的这个信号滤掉剩下的就是亮度信号。很多硬件工程师可能不容易理解这是什么意思，不
过没关系。下面我们从时域的角度来看看它们的一行的波形，如图所示，黑白视频的亮度信
号采用了调幅制，一行的周期是64μs，其中显示在屏幕上的信号占52μs，其余部分为行消隐、行同步头。对于彩色信号，还在行同步头上叠加了一小段4.43MHz 的副载波信号，
用作接收机中的4.43MHz 信号的频率和相位基准。
上面说的是彩色视频信号怎么加到原来的黑白视频信号中。那么彩色图像是怎么还原和
显示出来的呢？我们知道，黑白图像的像素只能用亮度（灰度）来描述。而彩色图像的像素
的描述要复杂一些，有很多不同的方法，比如在印刷行业中用的是CMYK（青、品红、黄、
黑）四色合成的方法，而在计算机或电视机的CRT 显象管中都是用的RGB（红、绿、蓝）
三基色合成的方法，我也不明白为什么要选这三种颜色，而没选别的颜色，我猜想可能是因
为人眼包含RGB 三种色感细胞，所以用这三种基色能合成比较多的人眼能识别的彩色出
来，或者因为这三种基色的荧光粉比较容易制造。通过RGB 三基色来合成某种彩色，或者
某种彩色怎样分解为三基色，这个是大家都熟悉的。用RGB 三基色来表示彩色的确很直观，
但是如果把这种方法用作图像传输则绝不是一个好的方法。
(1) 与黑白图像不兼容，把RGB 三基色转换为灰度的方法是：灰度
=R*0.3+G*0.59+B*0.11,这个转换过程显然是比较复杂的。对于电视机而言，就意味着必须
解码出RGB 信号才有可能得到黑白图像，而黑白电视机没有解码功能，所以不能实现兼容。
(2) 占用太多带宽，用RGB 三基色表示图像，每个分量的带宽是均等的，都约等于亮
度信号的带宽，所以对于每个分量，都要用较大的带宽来描述。
(3) 抗干扰能力差。由于G 分量占有亮度值的59%，所以当G 受到干扰的时候，像素
的亮度值会受到很大的影响，而人眼对亮度值的变化是十分敏感的，所以图像主观质量会明
显下降。
基于这些原因，在视频信号传输中采用的是YUV 合成的方法。Y 代表亮度信息，U(Cb)
代表蓝色色差（就是蓝色信号与亮度信号之间的差值），V(Cr)代表红色色差。我们来看看使
用这种表示方法的优点。
(1) 与黑白图像兼容。假定一个像素是用YUV 表示的，我们只要忽略UV 分量，取出
Y 分量，就可以得到像素的亮度值，从而把彩色图像转换为黑白图像。这样很容易实现彩
色电视信号与黑白电视信号的兼容。
(2) 节省带宽。说这个问题的时候要先说说大面积着色原理。实验发现，人眼对亮度信
息是敏感的，主要通过亮度差别来分辨物体形状的细节，而对彩色信息是不敏感的，人眼区
分不出物体颜色上的细小的变化，或者说人眼不容易觉察出来图像的色彩的细节部分的变
化。因此，可以对亮度信号用较高的采样频率采样，而对色度信号用较低的采样频率采样（或
者用较低的量化深度），比如几个相邻的像素的亮度值不同，但是却可以使用一个相同的色
度值。这就是大面积着色原理。基于这个原理，在电视信号传输中，U 或V 信号的带宽远
小于V 信号的带宽，这样就节约了带宽。换个方式来说，比如在计算机中，用RGB 方式
描述一个像素需要R、G、B 共3 个字节。而用YUV 方式描述，则对于每2 个像素，Y 用
2 个字节，U 取相同的值，用一个字节，V 取相同的值，用一个字节，平均每个像素2 个
字节。或者每个像素Y 用一个字节，U 用半个字节，V 用半个字节，共2 个字节。
(3) 抗干扰能力强。由于亮度信号是单独表示的，所以如果色差信号受到干扰，不会影
响到亮度，主观感觉噪声不会明显增加。
在电视机中，彩色视频信号首先分解为亮度信号Y 和色度信号，色度信号再分解为U色
差信号和V 色差信号，最后由YUV 三个分量经过矩阵运算变换为RGB 信号，以便在显像管上
显示。
视频信号的缺点：
(1) 帧频低。视频信号的帧频只有25Hz，必然导致图像闪烁。
(2) 分辨率低。在一帧中有效的行只有576 行。由于采用了隔行扫描，一帧图像要由连
续的两场来拼合而成，而实际上很难保证两场中的行准确地错开（对准间隙），这进一步导致垂直方向的分辨能力损失。
(3) 亮色串扰。亮度信号和色度信号混合在一起，解码的时候不能很好地分开，导致亮
度信号和色度信号互相干扰。
(4) 缺乏改进余地。除非重新制定新的标准，否则前面提到的三个问题在现有基础上都
很难改进。视频信号格式有这么多缺点，是因为受当年制定这个标准时的技术条件制约造成
的，而近年来通过在电视中加入一些数字处理的手段，比如倍频扫描（100 Hz 场频）、使
用数字梳状滤波器等方法，电视的图像质量也得到一些提高。而现在正在研究的数字电视，
是重新制定的全新的标准，用以获得胶片质量的图像，可能会彻底淘汰现在的视频标准和电
视设备。
数字视频：视频信号起初是以模拟信号的形式保存在录像磁带上的，而现在随着数字技
术的发展，可以变成数字信号保存在光盘或计算机硬盘中，当然这些离不开功能强大的计算
机，实际上，在嵌入式领域，数字视频也是可以应用的，比如用单片机或DSP 来处理数字视
频数据。
模拟视频信号解码并量化成连续的数字视频流后所包含的一些信号元素：模拟视频信号
每秒25 帧，每帧周期40ms，而每帧又分为2 场，每场20ms，先输出的是奇场，然后是偶场，
奇场的行号为第1 至312.5 行，偶场的行号为第312.5 至625 行，其中，奇场的第23.5至310
行包含有效的视频信号，偶场的第336 至622.5 行包含有效的视频信号。把模拟视频信号解
码为YUV 分量后，分别进行A/D 量化采样，转换为数字视频流，时间上也应该是按上面的顺
序依次输出。有几个相关的国际标准对此作了一些约定。比如1994 年国际无线电咨询委员
会出台了CCIR601 标准，这个标准主要是针对演播室的要求制定的，其中规定亮度信号的采
样频率是13.5 MHz，色度信号的采样频率是6.75 MHz，采用8 位PCM 编码。这样，每行的Y 采
样数为864 个，其中有效的Y 采样数为720 个。而每行的U 或V 采样数为432 个，有效的U 或
V 采样数为360 个。平均描述每个像素的YUV 的位数分别为8bit、4bit、4bit，又叫做YUV422
编码方案（当然还有很多别的方案，如YUV411 等）。国际无线电咨询委员会还出台了CCIR656
建议，其中规定视频数据的量化值中的0 和255 保留不用，而量化数据串行输出的顺序是：
U0、Y0、V0、Y1，U2，Y2，V2，Y3，U4，Y5，V4，Y6，如此循环。通过上面的讨论，我们可
以看出，数字视频流应包含的元素有：奇偶场指示信号FI（有的称为ODD）、场同步信号、
行同步信号、像素时钟、YUV 数据输出。在此我们顺便计算一下数字视频流的数据量，每秒
的数据量=（720 像素*576 行*25 帧）*2 字节=20736000
字节，数据率约165Mbps。

2万 · 2011-11-14 10:12

实验 1.1 图像的反色
一．实验目的
1．掌握Code Composer Studio2.2 的安装和配置。
2．了解DSP 开发系统和计算机与目标系统的连接方法。
3．了解CCS集成开发环境的操作环境和基本功能。
4．熟悉视频显示程序的运行过程、控制过程，搞清数据处理、传输途径。
5．结合实例学习如何在视频显示程序中增加图像处理算法。
6．了解图像反色的算法和用途。
二．实验原理
将图像按象素进行求反，取得类似照相底片效果。求反处理的图像与原始图“黑白颠倒”，
可以看清原始图中灰黑区域的情况。求反的图像一般用于数字图像的初步处理。设 A D 表示输入图像的灰度， B D 表示输出图像的灰度。灰度变换方程为：
B A A D = f (D ) = 255 − D
三．程序设计
在视频显示任务的循环中，程序首先将视频数据从输入缓冲区读入自己开设的临时图像
处理缓冲区，再在临时图像处理缓冲区上进行处理，处理后的数据再输出到输出缓冲区。
对需要处理的每个像素进行如下处理：
*(Uint8 *)(tempYbuffer + i*numPixels + j) = 0xFF-*(Uint8 *)(tempYbuffer + i*numPixels + j);

2万 · 2011-11-14 10:17

实验1.2 图像的阈值分割
一．实验目的
1．了解CCS集成开发环境的操作环境和基本功能。
2．熟悉视频显示程序的运行过程、控制过程，搞清数据处理、传输途径。
3．结合实例学习如何在视频显示程序中增加图像处理算法。
4．理解和掌握图像的域值分割的原理和应用。
灰度的阈值变换可以将一幅灰度图像转换成黑白二值图像。它的操作过程是先由用户指
定一个阈值，如果图像中期权像素的灰度值小于该阈值，则将该像素的灰度值设置为0，否
则灰度值设置为255。
灰度的阈值变换的变换函数表达式如下：

2万 · 2011-11-14 10:18

三．程序设计
在视频显示任务的循环中，程序首先将视频数据从输入缓冲区读入自己开设的临时图像
处理缓冲区，再在临时图像处理缓冲区上进行处理，处理后的数据再输出到输出缓冲区。
在屏幕中央开辟一个矩形区域，对这个区域内的图像进行处理。
/*二值化阈值初始化*/
Uint8 intThreshold = 0x80; //更改此值来进行阈值的设定
/*画矩形边框*/
void drawRectangle();
/*进行阈值分割处理*/
void threshold();